Термический разгон описывает процесс, который ускоряется при повышении температуры , в свою очередь высвобождая энергию , которая еще больше повышает температуру. Термический разгон возникает в ситуациях, когда повышение температуры меняет условия таким образом, что вызывает дальнейшее повышение температуры, часто приводящее к разрушительному результату. Это своего рода неконтролируемая положительная обратная связь .
В химии (и химической технологии ) термический неуправляемый процесс связан с сильно экзотермическими реакциями, которые ускоряются при повышении температуры. В электротехнике тепловой разгон обычно связан с увеличением тока и рассеиваемой мощности . Термический разгон может произойти в гражданском строительстве , особенно когда не контролируется тепло, выделяемое большим количеством затвердевшего бетона . [ нужна цитата ] В астрофизике неконтролируемые реакции ядерного синтеза в звездах могут привести к образованию новых и нескольких типов взрывов сверхновых , а также произойти как менее драматичное событие в нормальной эволюции звезд солнечной массы, « гелиевая вспышка ».
Химические реакции, связанные с тепловым выходом из-под контроля, в химической технологии также называются тепловыми взрывами или реакциями выхода из-под контроля в органической химии . Это процесс, при котором экзотермическая реакция выходит из-под контроля: скорость реакции увеличивается из-за повышения температуры, вызывая дальнейшее повышение температуры и, следовательно, дальнейшее быстрое увеличение скорости реакции. Это способствовало промышленным химическим авариям , в первую очередь катастрофе в Техас-Сити в 1947 году из-за перегретой нитрата аммония в трюме корабля и взрыву зоалена в 1976 году в сушилке в Кингс-Линне . [1] Теория Франка-Каменецкого представляет собой упрощенную аналитическую модель теплового взрыва. Разветвление цепи является дополнительным механизмом положительной обратной связи, который также может привести к резкому повышению температуры из-за быстрого увеличения скорости реакции.
Химические реакции бывают эндотермическими или экзотермическими, что выражается в изменении их энтальпии . Многие реакции сильно экзотермичны, поэтому многие процессы промышленного масштаба и нефтепереработки имеют некоторый уровень риска температурного выхода из-под контроля. К ним относятся гидрокрекинг , гидрирование , алкилирование (SN 2 ), окисление , металлирование и нуклеофильное ароматическое замещение . Например, окисление циклогексана в циклогексанол и циклогексанон , а также ортоксилола во фталевый ангидрид привело к катастрофическим взрывам, когда контроль реакции не удался.
Термический выход из-под контроля может быть результатом нежелательных экзотермических побочных реакций, которые начинаются при более высоких температурах после первоначального случайного перегрева реакционной смеси. Этот сценарий стал причиной катастрофы в Севесо , когда тепловой побег вызвал такую температуру, что в дополнение к предполагаемому 2,4,5-трихлорфенолу был также произведен ядовитый 2,3,7,8-тетрахлордибензо - п -диоксин , и был выброшен в окружающую среду после взрыва разрывного диска реактора . [2]
Тепловой разгон чаще всего вызван выходом из строя системы охлаждения корпуса реактора . Выход из строя смесителя может привести к локальному нагреву, который приведет к выходу из-под контроля температуры. Аналогично, в проточных реакторах локализованное недостаточное перемешивание приводит к образованию горячих точек, в которых возникают условия термического неконтроля, что приводит к сильным выбросам содержимого реактора и катализаторов. Неправильная установка компонентов оборудования также является распространенной причиной. Многие химические производственные объекты спроектированы с аварийной вентиляцией большого объема, что является мерой по ограничению масштабов травм и материального ущерба в случае таких аварий.
В больших масштабах небезопасно «загружать все реагенты и смешивать», как это делается в лабораторных масштабах. Это связано с тем, что количество реакций зависит от куба размера сосуда (V ∝ r³), а площадь теплопередачи пропорционально квадрату размера (A ∝ r²), так что теплопродукция к площади соотношение масштабируется с размером (В/А ∝ r). Следовательно, реакции, которые достаточно быстро охлаждаются в лаборатории, могут опасно самонагреваться в тоннах. В 2007 году ошибочная процедура такого рода привела к взрыву реактора емкостью 2400 галлонов США (9100 л), используемого для металлирования метилциклопентадиена металлическим натрием , в результате чего погибли четыре человека, а части реактора были отброшены на 400 футов (120 м). . [3] [4] Таким образом, реакции промышленного масштаба, склонные к выходу из-под контроля температуры, предпочтительно контролируются добавлением одного реагента в количестве, соответствующем доступной охлаждающей способности.
Некоторые лабораторные реакции необходимо проводить при сильном охлаждении, поскольку они очень склонны к опасному тепловому выходу из-под контроля. Например, при окислении Сверна образование хлорида сульфония должно осуществляться в охлажденной системе (-30 ° C), поскольку при комнатной температуре реакция подвергается взрывному тепловому выходу из-под контроля. [4]
Микроволновые печи используются для нагрева различных материалов при приготовлении пищи и различных промышленных процессах. Скорость нагрева материала зависит от поглощения энергии, которая зависит от диэлектрической проницаемости материала. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры различна для разных материалов; некоторые материалы демонстрируют значительное увеличение с повышением температуры. Такое поведение, когда материал подвергается воздействию микроволн, приводит к выборочному локальному перегреву, поскольку более теплые области лучше воспринимают дополнительную энергию, чем более холодные, что потенциально опасно, особенно для теплоизоляторов, где происходит теплообмен между горячими точками и остальной материал медленный. Эти материалы называются термически неуправляемыми материалами . Это явление встречается в некоторых керамических изделиях .
Некоторые электронные компоненты развивают более низкие сопротивления или более низкие напряжения срабатывания (для нелинейных сопротивлений) по мере увеличения их внутренней температуры. Если в таких ситуациях условия цепи вызывают заметное увеличение тока, увеличение рассеиваемой мощности может привести к дальнейшему повышению температуры за счет джоулева нагрева . Порочный круг или эффект положительной обратной связи при термическом разгоне могут привести к отказу, иногда весьма впечатляющему (например, электрический взрыв или пожар). Чтобы предотвратить эти опасности, хорошо спроектированные электронные системы обычно включают в себя защиту, ограничивающую ток, например термопредохранители, автоматические выключатели или ограничители тока PTC .
Чтобы обрабатывать большие токи, разработчики схем могут соединить несколько устройств меньшей емкости (например, транзисторов, диодов или MOV ) параллельно . Этот метод может работать хорошо, но подвержен явлению, называемому ограничением тока , при котором ток не распределяется поровну между всеми устройствами. Как правило, одно устройство может иметь немного более низкое сопротивление и, таким образом, потребляет больше тока, нагревая его сильнее, чем его родственные устройства, что приводит к дальнейшему падению его сопротивления. Электрическая нагрузка в конечном итоге попадает в одно устройство, которое затем быстро выходит из строя. Таким образом, массив устройств может оказаться не более надежным, чем его самый слабый компонент.
Эффект захвата тока можно уменьшить, тщательно согласовав характеристики каждого параллельно подключенного устройства или используя другие методы проектирования для балансировки электрической нагрузки. Однако поддержание баланса нагрузки в экстремальных условиях может оказаться непростой задачей. Устройства с собственным положительным температурным коэффициентом (PTC) электрического сопротивления менее склонны к зависанию тока, но тепловой разгон все равно может произойти из-за плохого отвода тепла или других проблем.
Многие электронные схемы содержат специальные меры для предотвращения температурного разгона. Чаще всего это наблюдается в схемах смещения транзисторов для мощных выходных каскадов. Однако, когда оборудование используется при температуре окружающей среды, превышающей расчетную, в некоторых случаях все же может произойти тепловой разгон. Это иногда приводит к сбоям оборудования в жарких условиях или при блокировке вентиляционных отверстий воздушного охлаждения .
Кремний имеет своеобразный профиль: его электрическое сопротивление увеличивается с температурой примерно до 160 ° C, затем начинает уменьшаться и падает еще больше при достижении точки плавления. Это может привести к явлениям термического выхода из-под контроля во внутренних областях полупроводникового перехода ; сопротивление уменьшается в областях, которые нагреваются выше этого порога, позволяя большему току течь через перегретые области, что, в свою очередь, вызывает еще больший нагрев по сравнению с окружающими областями, что приводит к дальнейшему повышению температуры и уменьшению сопротивления. Это приводит к явлению скопления тока и образованию нитей тока (аналогично захвату тока, но внутри одного устройства) и является одной из основных причин многих отказов полупроводниковых переходов .
Ток утечки значительно увеличивается в биполярных транзисторах (особенно в биполярных транзисторах на основе германия ) при повышении их температуры. В зависимости от конструкции схемы это увеличение тока утечки может увеличить ток, протекающий через транзистор, и, следовательно, рассеиваемую мощность , вызывая дальнейшее увеличение тока утечки между коллектором и эмиттером. Это часто можно увидеть в двухтактном каскаде усилителя класса AB . Если повышающий и понижающий транзисторы смещены так , чтобы иметь минимальные перекрестные искажения при комнатной температуре , и смещение не компенсируется температурой, то при повышении температуры оба транзистора будут все больше смещаться, что приведет к дальнейшему увеличению тока и мощности. и в конечном итоге уничтожает одно или оба устройства.
Одним из практических правил, позволяющих избежать температурного разгона, является поддержание рабочей точки биполярного транзистора так, чтобы V ce ≤ 1/2 В cc.
Другой вариант — установить на радиаторе транзистор, чувствительный к тепловой обратной связи, или другое устройство для управления напряжением смещения кроссовера. По мере нагревания выходных транзисторов нагревается и транзистор тепловой обратной связи. Это, в свою очередь, приводит к включению транзистора тепловой обратной связи при несколько более низком напряжении, уменьшая напряжение перекрестного смещения и, таким образом, уменьшая тепло, рассеиваемое выходными транзисторами.
Если несколько BJT-транзисторов подключены параллельно (что типично для сильноточных приложений), может возникнуть проблема с превышением тока. Необходимо принять специальные меры для контроля этой характерной уязвимости BJT.
В силовых транзисторах (которые фактически состоят из множества небольших транзисторов, включенных параллельно) между различными частями самого транзистора может возникать ограничение тока, при этом одна часть транзистора становится более горячей, чем другие. Это называется вторым пробойом и может привести к разрушению транзистора, даже если средняя температура перехода кажется на безопасном уровне.
Силовые МОП-транзисторы обычно увеличивают свое сопротивление в открытом состоянии с увеличением температуры. В некоторых случаях мощность, рассеиваемая на этом сопротивлении, вызывает больший нагрев перехода, что еще больше увеличивает температуру перехода в контуре положительной обратной связи . Как следствие, силовые МОП-транзисторы имеют стабильные и нестабильные области работы. [5] Однако увеличение сопротивления открытого состояния с увеличением температуры помогает сбалансировать ток между несколькими МОП-транзисторами, подключенными параллельно, поэтому ограничения тока не происходит. Если МОП-транзистор производит больше тепла, чем может рассеять радиатор , то тепловой разгон все равно может разрушить транзисторы. Эту проблему можно в некоторой степени облегчить, уменьшив тепловое сопротивление между кристаллом транзистора и радиатором. См. также Расчетная тепловая мощность .
Металлооксидные варисторы обычно развивают меньшее сопротивление при нагревании. При прямом подключении к шине переменного или постоянного тока (обычное использование для защиты от скачков напряжения ) MOV, у которого возникло пониженное напряжение срабатывания, может перейти в катастрофический тепловой разгон, что может привести к небольшому взрыву или возгоранию. [6] Чтобы предотвратить такую возможность, ток повреждения обычно ограничивается термопредохранителем, автоматическим выключателем или другим устройством ограничения тока.
Танталовые конденсаторы при некоторых условиях склонны к саморазрушению из-за теплового выхода из-под контроля. Конденсатор обычно состоит из спеченной губки тантала , действующей как анод , катода из диоксида марганца и диэлектрического слоя пятиокиси тантала , созданного на поверхности губки тантала путем анодирования . Может случиться так, что слой оксида тантала имеет слабые места, которые подвергаются пробою диэлектрика во время скачка напряжения . Затем танталовая губка вступает в прямой контакт с диоксидом марганца, и повышенный ток утечки вызывает локальный нагрев; обычно это запускает эндотермическую химическую реакцию, в результате которой образуется оксид марганца (III) и регенерируется ( самовосстанавливается ) диэлектрический слой оксида тантала.
Однако, если энергия, рассеиваемая в точке отказа, достаточно высока, может начаться самоподдерживающаяся экзотермическая реакция, подобная термитной реакции, с металлическим танталом в качестве топлива и диоксидом марганца в качестве окислителя. Эта нежелательная реакция приведет к разрушению конденсатора с образованием дыма и, возможно, пламени . [7]
Таким образом, танталовые конденсаторы можно свободно использовать в цепях слабого сигнала, но их применение в цепях большой мощности должно быть тщательно продумано, чтобы избежать отказов из-за теплового разгона.
Ток утечки логических переключающих транзисторов увеличивается с температурой. В редких случаях это может привести к выходу из-под контроля температуры в цифровых схемах. Это не частая проблема, поскольку токи утечки обычно составляют небольшую часть общего энергопотребления, поэтому прирост мощности довольно скромный — для Athlon 64 рассеиваемая мощность увеличивается примерно на 10% на каждые 30 градусов Цельсия. [8] Для устройства с TDP 100 Вт, чтобы произошел тепловой разгон, теплоотвод должен иметь тепловое сопротивление более 3 К/Вт (кельвинов на ватт), что примерно в 6 раз хуже, чем у штатного устройства. Радиатор для Атлона 64. (Стандартный радиатор Athlon 64 рассчитан на 0,34 К/Вт, хотя фактическое тепловое сопротивление окружающей среде несколько выше из-за тепловой границы между процессором и радиатором, повышения температуры в корпусе и других тепловых сопротивлений . необходимо ] ) В любом случае, неадекватный радиатор с тепловым сопротивлением более 0,5–1 К/Вт может привести к выходу из строя устройства мощностью 100 Вт даже без эффектов термического выхода из-под контроля.
При неправильном обращении или дефектном производстве некоторые аккумуляторные батареи могут выйти из-под контроля, что приводит к перегреву. Герметичные камеры иногда сильно взрываются, если предохранительные вентиляционные отверстия перегружены или не работают. [9] Особенно склонны к тепловому выходу из строя литий-ионные батареи , наиболее заметно это литий-полимерные батареи . [ нужна цитата ] Сообщения о взрывах мобильных телефонов время от времени появляются в газетах. В 2006 году аккумуляторы Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell и других производителей ноутбуков были отозваны из-за пожара и взрывов. [10] [11] [12] [13] Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов (PHMSA) Министерства транспорта США установило правила перевозки определенных типов аккумуляторов в самолетах из-за их нестабильности в определенных ситуациях. Частично эта акция была вдохновлена пожаром в грузовом отсеке самолета FedEx . [14] Одним из возможных решений является использование более безопасных и менее реактивных анодных (титанаты лития) и катодных ( литий-железо-фосфат ) материалов (что позволяет избежать использования кобальтовых электродов во многих литиевых перезаряжаемых элементах) вместе с негорючими электролитами на основе ионных жидкостей. .
Неуправляемые термоядерные реакции могут возникать в звездах при зажигании ядерного синтеза в условиях, когда гравитационное давление, оказываемое вышележащими слоями звезды, значительно превышает тепловое давление , что делает возможным быстрое повышение температуры за счет гравитационного сжатия . Такой сценарий может возникнуть в звездах, содержащих вырожденную материю , в которых большую часть работы по поддержанию звезды в противодействии гравитации выполняет давление электронного вырождения , а не нормальное тепловое давление, а также в звездах, подвергающихся имплозии. Во всех случаях дисбаланс возникает до воспламенения термоядерного синтеза; в противном случае реакции термоядерного синтеза регулировались бы естественным путем, чтобы противодействовать изменениям температуры и стабилизировать звезду. Когда тепловое давление находится в равновесии с вышележащим давлением, звезда будет реагировать на увеличение температуры и теплового давления из-за инициирования новой экзотермической реакции расширением и охлаждением. Беговая реакция возможна только тогда, когда эта реакция заторможена.
Когда звезды с массой Солнца 0,8–2,0 исчерпывают водород в своих ядрах и становятся красными гигантами , гелий, накапливающийся в их ядрах, достигает вырождения, прежде чем воспламениться. Когда выродившееся ядро достигает критической массы около 0,45 солнечной массы, происходит воспламенение и взрыв гелия , который называется гелиевой вспышкой , на короткое время увеличивая выработку энергии звездой до уровня, в 100 миллиардов раз превышающего норму. Около 6% ядра быстро превращается в углерод. [15] Хотя выброса достаточно, чтобы превратить ядро обратно в нормальную плазму через несколько секунд, он не разрушает звезду, [16] [17] и не меняет немедленно ее светимость. Затем звезда сжимается, покидая фазу красного гиганта и продолжая свою эволюцию в стабильную фазу горения гелия .
Новая звезда возникает в результате безудержного синтеза водорода (посредством цикла CNO ) во внешнем слое углеродно-кислородного белого карлика . Если у белого карлика есть звезда-компаньон, от которой он может аккрецировать газ , материал будет накапливаться в поверхностном слое, который вырождается из-за сильной гравитации карлика. При правильных условиях достаточно толстый слой водорода в конечном итоге нагревается до температуры 20 миллионов К, что приводит к неуправляемому термоядерному синтезу. Поверхностный слой сбрасывается с белого карлика, увеличивая светимость примерно в 50 000 раз. Однако белый карлик и компаньон остаются нетронутыми, поэтому процесс может повториться. [18] Гораздо более редкий тип новой может возникнуть, когда воспламеняющийся внешний слой состоит из гелия. [19]
Аналогично процессу, ведущему к образованию новых, вырожденное вещество также может накапливаться на поверхности нейтронной звезды , аккрецирующей газ от близкого компаньона. Если накапливается достаточно толстый слой водорода, воспламенение неуправляемого синтеза водорода может привести к рентгеновскому взрыву . Как и в случае с новыми звездами, такие вспышки имеют тенденцию повторяться и могут быть вызваны синтезом гелия или даже углерода. [20] [21] Было высказано предположение, что в случае «сверхвспышек» большую часть энергии взрыва может составлять неуправляемый распад накопленных тяжелых ядер на ядра группы железа посредством фотодиссоциации, а не ядерного синтеза. [21]
Сверхновая типа Ia возникает в результате безудержного синтеза углерода в ядре углеродно-кислородного белого карлика. Если белый карлик, почти полностью состоящий из выродившейся материи, может получить массу от компаньона, повышение температуры и плотности материала в его ядре приведет к воспламенению синтеза углерода, если масса звезды приблизится к пределу Чандрасекара . Это приводит к взрыву, который полностью разрушает звезду. Светимость увеличивается более чем в 5 миллиардов раз. Одним из способов получить дополнительную массу было бы аккрецирование газа от звезды-гиганта (или даже главной последовательности ). [22] Второй и, по-видимому, более распространенный механизм возникновения взрыва того же типа — это слияние двух белых карликов . [22] [23]
Считается, что сверхновая с парной нестабильностью возникла в результате неконтролируемого синтеза кислорода в ядре массивной звезды с массой 130–250 солнечных и металличностью от низкой до умеренной . [24] Согласно теории, в такой звезде образуется большое ядро из неплавящегося кислорода, но относительно низкой плотности, вес которого поддерживается давлением гамма-лучей, создаваемых экстремальной температурой. По мере того, как ядро нагревается дальше, гамма-лучи в конечном итоге начинают преодолевать энергетический порог, необходимый для распада, вызванного столкновением, на электрон - позитронные пары, процесс, называемый образованием пар . Это вызывает падение давления внутри ядра, что приводит к его сжатию и дальнейшему нагреву, что приводит к увеличению образования пар, дальнейшему падению давления и так далее. Ядро начинает подвергаться гравитационному коллапсу . В какой-то момент это зажигает неконтролируемый синтез кислорода, высвобождая достаточно энергии, чтобы уничтожить звезду. Эти взрывы редки, возможно, один на 100 000 сверхновых.
Не все сверхновые возникают в результате безудержного ядерного синтеза. Сверхновые типа Ib, Ic и типа II также подвергаются коллапсу ядра, но поскольку они исчерпали запас атомных ядер, способных подвергаться экзотермическим реакциям синтеза, они полностью коллапсируют в нейтронные звезды или, в случаях с большей массой, в звездные черные дыры. , приводя взрывы в действие за счет высвобождения гравитационной потенциальной энергии (в основном за счет выброса нейтрино ). Именно отсутствие неконтролируемых реакций синтеза позволяет таким сверхновым оставлять после себя компактные звездные остатки .
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )